基于紫外LED阵列的高速通信系统研究

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紫外光通信是一种新型的无线光移动通信方式,通过日盲紫外光实现最终信息的发射和接收。与其他通信方式相比,具有信噪比高、保密性强、全方位和非视距通信的特点,可作为复杂通信环境中补偿式保障通信手段。受制于紫外器件和大气信道衰弱,目前紫外通信系统通信速率较低(小于百kbps),无法满足快速、准确、高信息量的通信要求,因此,如何实现通信速率从百kbps到Mbps的数量级跨越是目前紫外通信亟待解决的问题之一。基于此,本课题在国家重大基础研究发展计划(“973”)支持项目“宽光谱信号无线传输理论与方法研究”和军委科技委“XX国防科研项目”的支持下,开展了紫外高速通信系统设计研究。本文首先详细调研和总结了目前紫外通信系统的器件选型、实现方式和通信指标,为后续设计提供了指导;其次,选取了峰值波长266nm、发光功率30m W的紫外LED阵列作为发射源,从发射端到接收端开展了高速通信电路系统的设计研究:发射端针对光源电气特性,设计了大功率高速驱动电路,采用三路并行恒流驱动方式和PWM调制方式实现了输出功率10W、速率高达1Mbps的控制输出,电流误差精度在1.5%以内;接收端针对远距离信号微弱且噪声大的特点,设计了两级主差分式前置放大电路,有效地实现了高速微弱信号放大,同时结合逆变电容微分电路抑制了直流漂移,前放电路增益高达140d B,整体带宽达到1.92MHz;此外,设计信号预处理电路实现了接收信号的二次处理,通过二阶低通滤波器滤除高频噪声,高差分输入比较器电路进行二值化处理,最后由FPGA实现脉冲信号的恢复重建。在高速电路系统研究的基础上,设计了一套基于紫外LED阵列的高速通信系统,开展外场实验分别测试了不同传输距离、不同通信速率、不同俯仰角度和不同时段对接收端信噪比的影响,同时探究了光源功率对传输距离的影响,并对最终结果做了进一步分析总结。最后,本文还简单测试了高速通信系统的误码率。测试结果表明,本文设计的高速通信系统可以实现通信距离400m,发射机和接收机夹角20°,通信速率高达1Mbps的高速通信,误码率低于10-4。1Mbps通信速率达到了国内外可参考文献中基于LED通信的最高速率。
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